高沖擊下激光導引頭電路組灌封固化方法研究

康朝陽　唐金力　杜麗梅　謝亞峰　姚永慶

摘 要：針對激光導引頭電路組無法滿足高過載沖擊下正常工作的問題，設計了一種高沖擊載荷下電路組防護的方法，通過調整電路板的器件排布和電路設計，縮小電路板的整體尺寸，對導引頭電路組的安裝排布和振動沖擊要求進行了專門設計，并對電路組的灌封固化進行了較為詳細的闡述，從而使電路組滿足在特定環境下的使用要求。經過有限元分析和實彈測試，證明改灌封固化方法對電路組的防護達到了設計要求，從而使系統滿足相應的振動沖擊要求。

關鍵詞：激光導引頭；高過載；電路組；灌封固化

激光導引頭為配備在彈藥武器系統前端的高精度電子設備，對內部器材的振動、沖擊、強度、剛度均有較高的要求，其中電路控制部分為其中的關鍵環節。為保證導引頭在軸向8000g的加速度沖擊下，設備內部電子組件的安全可靠，我們將對內部的電路組件進行灌封固化處理，并利用Ansys分析軟件對電路組進行沖擊分析，根據分析結果確認灌封固化效果，最后利用空氣炮試驗進行確認。

1 概述

隨著科技的發展，精確制導類武器在現代作戰系統中的作用日益突出，小型化、智能化為成為目前武器系統的重要發展方向，小型化意味著在更小的空間內容納更多的器材元件，而智能化又要求武器系統在小型化的同時有著更高的探測靈敏度和打擊精度，這就對設備組件本身的強度、剛度、振動、沖擊等有了更高的設計要求。

電路組作為激光導引頭的控制中樞，通常來說，電路板和焊接器件本身在不低于8000g的沖擊下的無法滿足設計要求，本文將依據工程實際，對導引頭電路組進行灌封固化處理，并通過軟件分析和試驗驗證來確認灌封效果，從而使電路組滿足武器彈藥設計要求。

2 電路組抗過載性設計

2.1 可靠性設計

在結構設計中我們采用以下方法提高其強度和可靠性：（1）多點支撐，降低高度，提高平均強度；（2）結構緊湊，受力均勻，降低平均應力，減少應力變化；（3）受力分布均勻，多層電路器件排布合理，減小強度變化。

為使力在結構中的傳遞最直接，我們采用電路組疊裝的組合方式，從而使整個電路組既緊湊又簡單；為使結構元件的剖面應力盡可能均勻分布，我們采用圓形分布的電路排布方式，從而使整個電路組的質心盡可能集中于軸線上；為保證元件材料的力學性能應與元件的受力要求一致，我們還將對組合測試成功的電路組進行灌膠封裝。

2.2 振動和沖擊設計

振動和沖擊既是設備不可避免的實際工況，一般來說，振動和沖擊導致產品或系統的損壞一般分為三類：（1）振動和沖擊導致機械結構產生較大變形或斷裂；（2）各種緊固件由于振動沖擊作用而松動，元器件脫開，從而導致設備功能的降低或破壞；（3）各種電子組件和接插件的松動或接觸不良，在較大的沖擊和振動下，導致的元器件引線的斷裂，電路系統的短路或開路故障等。

針對上述問題，我們采以下措施：（1）提高離散的電器元件的安裝剛性，盡量縮短引線的長度，注重貼面焊接，并用環氧材脂膠或聚氨酯膠點封在安裝板上；（2）降低集成電路的安裝高度，整個設備中涉及緊固件的部分不允許使用通常的彈墊和平墊，裝配時螺釘直接點膠固定；（3）采用阻尼減振措施，整個電路組整體灌膠固化。

2.3 灌膠固化處理

2.3.1 齊套性檢查及準備工作

檢查工具齊備性：紙杯（每套配一個）、夾具工裝、攪拌工具、電子稱1臺、量杯2個、手套人手1雙、口罩每人2個、雙組份膠液（A、B）若干等。

清洗夾具及夾頭，夾頭涂抹脫模劑，涂三遍。將夾具工裝固定至電路組上，要求夾具一側與電路組后蓋板無縫隙，另一側與電路組最后一塊電路板形成密閉結合（膠液不遺漏）。

2.3.2 灌膠固化

（1）將雙組份膠液分別導入兩個量杯內；A組分膠導入紙杯約36g，B組分膠導入紙杯約35g。（2）混合膠液，快速攪拌均勻；膠液快速攪拌后，立即倒入夾具工裝內，整體靜置30分鐘。（3）30分鐘后，拆除工裝夾具和夾頭；清理電路組多余發泡劑，要求電路板發泡不超出電路組圓形邊界；同時清理夾具和夾頭上的發泡劑粘接物，以備下一次發泡使用。（4）首先檢查是否存在明顯未填充部分或裸露電子器件，如有上述情況，則及時補充相應部分；其次檢查電路組發泡情況，若出現明顯結構疏松，則及時清理掉疏松部分，重新發泡。

3 有限元分析和試驗

3.1 有限元分析

根據設計規范，為確保設計的有效性和可靠性，本設計采用有限元軟件Ansys對電路組做了模態分析和高過載沖擊分析。模型說明：為提高計算效率，在不影響整體分析結果的基礎上，分析模型去除了內部小孔、小平面、小螺釘和螺紋孔等特征，并把導引頭內部的后端電路板組采用分層的聚四氟乙烯材料替代。

沖擊試驗輸入條件為：產品應滿足彈丸發射（最大發射過載：軸向：8000g，橫向：1500g）及飛行彈道環境（彈道無控段≤3g、修正段≤40g）要求。

經過上述四幅圖片對比，我們可以看出：（1）灌封前，電路組的應力主要集中于電路板的板間連接處和元器件凸起處；灌封后整個電路組受力均勻，應力主要集中于電路組的后蓋板處，且灌封后應力峰值有了明顯減小。（2）灌封前電路組的形變主要集中于電路板的元器件焊接處，灌封后電路組的形變主要集中于遠離電路組固定端的側端。最重要的是，灌封后電路組的最大形變從0.457mm減小為0.016mm，明顯提高了電路組抗沖擊的強度和可靠性。

3.2 試驗驗證

為驗證本設計能夠滿足設計要求，我們進行了空氣炮試驗和靶場實彈打靶。試驗證明，經過灌封固化后的激光導引頭結構穩定，處理電路功能正常，電路組系統穩定有效。

4 結束語

本文給出了一種針對高沖擊載荷下電路組防護的方法：針對設備的受力環境和結構特點，對導引頭電路組的安裝排布和振動沖擊要求進行了專門設計，并對電路組的灌封固化進行了較為詳細的闡述，從而使電路組滿足在特定環境下的使用要求。經過有限元分析和實彈測試，證明改灌封固化方法對電路組的防護達到了設計要求，從而使系統滿足相應的振動沖擊要求。

參考文獻

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作者簡介：康朝陽（1985-），男，河南省禹州市人，中國電子科技集團公司第二十七研究所工程師，主要研究方向為精密光機設計與仿真分析。